比特币的原理
哈喽大家好！我是小麦。最近想装一台电脑，然后看了眼显卡价格……嗯，还是很高。想到了导致今天这个局面的“罪魁祸首”——加密货币。今天看了李永乐老师两年前讲解比特币原理的视频，现在来做个笔记。
老规矩，视频链接：
- 李永乐老师Youtube：https://www.youtube.com/watch?v=g_fSistU3MQ
- 李永乐老师BiliBili：https://www.bilibili.com/video/av45247943
- 老高与小茉比特币：https://www.youtube.com/watch?v=7B-1vDFuYRk
- 老高与小茉区块链：https://www.youtube.com/watch?v=sjx_rpay9rk
以下文章可能有点深奥，读者可以在文章下方讨论，我会尝试给你们解答。
比特币是什么
比特币也叫电子货币、数字货币，它由一名化名为中本聪的网络极客于2008年11月1日在网络上写的一篇文章《比特币：一种点对点的电子现金系统》所提出。这篇文这里提出一种构思：去中心化的电子记账系统。
去中心化的电子记账系统
我们在和别人进行交易之后，需要检查我还有多少余额，这就是记账。目前我们的记账包括使用电子钱包都是由银行来记账。 银行就是这套记账系统的中心，我们信任银行，因为银行的背后是国家的信用。
而比特币是去中心化的记账系统。
怎么去中心化
去掉银行、微信支付宝这些可信任的第三方之后，最大的问题是我们无法互相信任。中本聪提到的概念是：将所有人的账本都公开给别人看。在区块链的世界，转账就得发广播，目的就是让所有人都知道网络里每个人每一笔钱的来龙去脉。
当 A 和 B 进行交易，A 需要把交易信息和电子签名告诉所有这个系统下的用户（广播）。大家会通过电子签名验证这句话的确是 A 说的，再将这笔帐记载账本上。
那么大家怎么知道 A 有这笔钱呢？A 的账本帮忙确认，而这个账本就叫做区块。
区块链 BlockChain
比特币的底层技术就是区块链。
这些由不同人发出的账单需要打包成一个块，称之为区块。一个区块的大小大概是1Mb，大约能储存4000条交易信息，取决于每条信息长度。
这个区块要和以前的区块（从比特币诞生的第一个区块一直到上一个区块）连在一起，再把新的区块往后接，这就叫做区块链。
区块链记录了比特币从创立到今天每一笔交易记录，所有人的钱从哪来到哪去都记得一清二楚、透明公开。
遇到几个问题
有了系统之后，我们需要思考几个问题：以谁为准？为什么别人愿意帮你记账？怎么防伪、篡改？怎么防止双重支付？怎么保密？
记账的动力
为什么别人愿意消耗自己的电脑资源去记录和他自己无关的账单？为了让所有人有动力去做题记账，比特币有个奖励系统：
- 手续费。每个人在进行交易的时候都需要多付一点比特币，多付的钱就作为记账的手续费。这和平时我们用银行卡、信用卡的手续费是一样的。甚至银行卡的手续费来的更高。
- 打包奖励。中本聪提出一个方案：从比特币创建之初，每过 10 分钟需要打包一个区块，每个区块奖励 50 比特币（只有其中一个用户有权利打包），然后每隔四年，奖励减半。
根据打包奖励，我们可以算出总共有多少个比特币：
一个包50比特币，
一个小时6个10分钟，
每天24小时，
每年365天，
奖励减半周期为4年。
50 × 6 × 24 × 365 × 4 × ( 1 + ½ + ½2 + ½3 + …) = 2100万
以谁为准
每个人都想要这笔奖励，所有每个人都抢着去打包。每个区块里的包含的交易和交易顺序都会不同，如果有记假账的那就更混乱了。所以，记账者必须让所有人都能接受，这样大家的账本才能统一，这也被称为共识机制（Consensus mechanism）。中本聪的办法是“工作量证明（Proof of Work）“，它的本质是穷举。每个人都需要去做一个很难的数学题。这个很难的数学题是没人可以用脑子计算出来的，必须一个一个数去尝试，才能试出结果。这个过程称之为：挖矿。
如果有人把这个数学题做出来了，那就可以获得打包奖励。
挖矿
那么这道数学题是怎样的数学题呢？这里提到一个算法——哈希函数。我会另外写一篇文章研究这个。哈希函数主要是把一个字符串（数据）运算之后转换成摘要的形式。而且正向算很容易，反向推导却很难（几乎不可能）。
其中一个很著名的算法叫 SHA256，是美国国家安全局发明的一种算法。具体就是将数据经过算法之后变为一个独一无二的 256 位二进制数。不管你的数据长度多少，最后生成出来的二进制数一定是 256 位，而原输入只要有一点轻微改动，也会导致每一位数值产生变化。
挖矿就是基于 SHA256 的运算。我们需要对一个字符串进行两次 SHA256 计算。
打开一个区块（通常是个JSON文件）可以看到里面包含了：
- 头部信息（区块头）
- 交易数量 Number of transactions
- 交易详情 Transaction details
区块头是区块的标签，里面包含：
- 时间戳
该区块产生的近似时间，精确到秒的UNIX时间戳，必须严格大于前11个区块时间的中值，同时全节点也会拒绝那些超出自己 2 个小时时间戳的区块 - Merkle根
该区块中，交易的Merkle树根的哈希值（同样采用两次 SHA256 进行计算） - 随机数
为了找到满足目标所设定的随机数 - 上一个区块的哈希值。
在这里，我们把区块头理解为字符串。
记账以及计算难度
想要记账（将我们的区块链接上去），我们需要把字符串执行哈希加密，并且加密结果（也就是 256 位二进制数）的前面几位数必须为零（取决于当前设置难度）。那么字符串是不能改的，因为里面包含了所有的区块信息，唯一能改的是区块头里的随机数。
二进制只有两种可能 0 或 1，所以进行一次哈希加密的成功率等于 2 的 n 次方分之一。而这个 n 就是所需要的（前几位）0，取决于当前参与计算的算力，算力越强，要算的 0 越多 PoW 的证明难度也就越大。
当然，每个人的打包难度都是不一样的，影响因素有：交易信息、时间戳、个人信息。所以照成随机数大小不同（前面说了随机数只能通过穷举的方式进行计算）。有的人运气好，第一个数就算出来了，有的人需要多算很多次。平均来说的话，就是谁的计算能力好，谁就更有希望打包这个块。
中本聪在设计的时候，保证每十分钟出一个块，所以需要改变 n 的难度，才能达成这个目标。这里我们做个数学题
- 假设世界上有 10000 台矿机，每台矿机的计算量大概是 14T Hash/s，每秒计算 14T（T 是 1012） 所以是 1.4 × 1013
- 十分钟总共能计算： 1.4 × 1013 次 × 104 台 × 600 秒 = 8 × 1019 次。
- 概率是 1/2n 所以需要出一个块，平均计算的次数是 2n
- 通过计算，n = 66，所以概率 P = 1/266 。平均计算的次数是 266 大概等于 8 × 1019 次。
那我们这里讲了比特币的底层架构（区块链）以及挖矿是什么东西。下一篇我们来研究比特币的安全性。
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